四角切圓燃?xì)忮仩tNOx減排放技術(shù)研究

姬海民，胡介旭，韓會(huì)亮，徐夢(mèng)茜，張知翔，薛 寧，徐黨旗，吳 博

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京 100020；3.中國(guó)石化塔河煉化有限責(zé)任公司，新疆 庫車 842000；4.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075）

截至2019年底，北京、天津、鄭州、西安、山東、河南、烏魯木齊、長(zhǎng)三角、珠三角等地方政府出臺(tái)政策要求新建天然氣鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度低于30 mg/m3，在用的天然氣鍋爐NOx排放低于80 mg/m3。針對(duì)這一政策，幾乎所有天然氣鍋爐需要進(jìn)行超低氮改造[1]。

目前市場(chǎng)上臥式燃?xì)忮仩t較多，燃燒器布置前墻呈“品”字型或“一”字型，降氮技術(shù)路線成熟[2]。而四角切圓燃?xì)忮仩t在國(guó)內(nèi)很少，且NOx排放質(zhì)量濃度較高（一般排煙處NOx達(dá)到400 mg/m3左右）。這主要是由于爐膛橫截面積偏小、火焰伸展長(zhǎng)度較短、火焰容易疊加等因素所致[3]。如何控制四角切圓燃?xì)忮仩tNOx排放是非常迫切的任務(wù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)四角切圓燃?xì)忮仩t低氮排放研究甚少，大多數(shù)研究集中在臥式前墻布置型式的天然氣鍋爐低氮燃燒技術(shù)[4]、低氮天然氣燃燒器結(jié)構(gòu)型式[5]、低氮改造后對(duì)鍋爐能效影響、煙氣再循環(huán)對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響[6]等方面。

本文針對(duì)四角切圓燃?xì)忮仩t截面積小、NOx排放質(zhì)量濃度高的特點(diǎn)，提出低氮燃燒器+燃盡風(fēng)（OFA）+煙氣再循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)路線，并對(duì)該技術(shù)路線進(jìn)行了數(shù)值模擬及工程試驗(yàn)。

1 四角切圓燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

四角切圓煤粉鍋爐在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)較多，但燃?xì)忮仩t燃燒器呈四角切圓布置型式的較少。由于該鍋爐型式少見且控制NOx排放難度較大，國(guó)內(nèi)很少對(duì)該問題予以關(guān)注。相比同樣容量的鍋爐，該型式鍋爐橫截面面積偏小。火焰伸展長(zhǎng)度偏短，造成火焰集中且燃燒器火焰受爐內(nèi)四角旋流作用，各只火焰混合重疊較為嚴(yán)重，造成熱力型NOx生成質(zhì)量濃度偏高[7]。以75 t/h燃?xì)忮仩t（表1）為例，對(duì)比不同燃燒器布置方式下火焰在爐內(nèi)伸展、重疊以及熱力型NOx生成特性，結(jié)果如圖1、圖2所示。

表1 75 t/h燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of structural parameters of 75 t/h gasfired boilers

圖1 燃燒器前墻布置火焰情況Fig.1 The flame in furnace with burners arranged in front wall

圖2 燃燒器四角切圓布置火焰情況Fig.2 The flame in furnace with burners arranged in tangential circle

2 改造技術(shù)路線

目前新型低氮燃燒器一般采用燃料、空氣分級(jí)分段燃燒技術(shù)，雖然在一定范圍內(nèi)能降低NOx排放，但效果有限（只能抑制30%熱力型NOx生成[9]）。為了使燃?xì)忮仩tNOx排放控制在很低范圍內(nèi)，必須采用煙氣再循環(huán)，降低氧化劑中的氧量（體積分?jǐn)?shù)，下同），降低燃燒初期溫度，從而抑制60%熱力型NOx生成。該技術(shù)路線已成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)大多數(shù)燃?xì)忮仩t（燃燒器布置于前墻）改造[10]。但對(duì)于排放基數(shù)高、燃燒方式控制較為困難的鍋爐，特別是本文提出的四角切圓燃?xì)忮仩t，采用上述技術(shù)路線很難控制NOx排放[11]。

針對(duì)四角切圓燃?xì)忮仩t進(jìn)行低氮改造，借鑒燃煤機(jī)組低氮改造思路，提出采用低氮燃燒器+燃盡風(fēng)+煙氣再循環(huán)（FGR）技術(shù)路線進(jìn)行模擬計(jì)算以及工程實(shí)施。

低氮燃燒器采用空氣、燃?xì)庋鼗鹧孑S向徑向分級(jí)，保證火焰分層分區(qū)域燃燒，控制局部高溫區(qū)域，從而降低熱力型NOx生成[12]。燃料及助燃空氣分3層，中心保證穩(wěn)燃，外圈燃料高速射流拉長(zhǎng)火焰卷吸周圍煙氣，抑制熱力型NOx生成。低氮燃燒器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 The structural diagram of low NOx burner

燃盡風(fēng)系統(tǒng)一方面主要將燃盡距離沿高度拉長(zhǎng)，確保燃燒器區(qū)域在欠氧環(huán)境內(nèi)混合燃燒，生成還原性氣氛如CO或CHi烴類；將生成的NO還原成N2，控制熱力型NOx生成[13]。另一方面燃燒區(qū)域氧量降低，抑制混合燃燒強(qiáng)度，從而大大降低燃燒溫度，進(jìn)而抑制熱力型NOx生成。煙氣再循環(huán)系統(tǒng)主要利用鍋爐尾部低溫?zé)煔猓é?O2)=3.5%）與助燃空氣混合，混合后（混合物的φ(O2)=18.5%）送入爐膛與燃料擴(kuò)散燃燒，抑制燃燒強(qiáng)度及溫度，進(jìn)而控制熱力型NOx生成[14]。

某動(dòng)力車間75 t/h鍋爐為無錫太湖鍋爐廠生產(chǎn)制造的TH75-3.82/450-YQ型單汽包、Π型布置、自然循環(huán)鍋爐。鍋爐燃燒系統(tǒng)由4臺(tái)燃?xì)馊紵鹘M成。燃燒器在爐膛四角布置，燃燒器火焰為假想的切線圓。本文借助該鍋爐研究低氮燃燒器、燃盡風(fēng)、煙氣再循環(huán)3種因素對(duì)燃?xì)忮仩tNOx排放影響。具體研究工況見表2。

表2 不同工況技術(shù)對(duì)比Tab.2 Technical comparison between different working conditions

3 數(shù)值模擬對(duì)比計(jì)算結(jié)果

本文對(duì)以上4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，借助Solidworks軟件建立三維模型，導(dǎo)入Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4）。利用Fluent商用軟件進(jìn)行燃燒數(shù)值模擬，模擬工況及邊界參數(shù)見表3。

表3 模擬工況及邊界參數(shù)Tab.3 The simulated operating conditions and boundary parameters

圖4 四角切圓燃?xì)忮仩t網(wǎng)格模型(1:1)Fig.4 The grid model of tangentially-fired gas boiler (1:1)

工況1與工況2溫度場(chǎng)分布、NOx質(zhì)量濃度分布對(duì)比如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可以看出，更換低氮燃燒器后（工況2），爐內(nèi)流體混合動(dòng)力場(chǎng)未發(fā)生明顯變化，但燃燒區(qū)域局部高溫區(qū)域減少，溫度降低，生成的熱力型NOx質(zhì)量濃度降低。主要由于低氮燃燒器采用燃料空氣特殊分級(jí)技術(shù)，使得燃燒火焰在爐內(nèi)分布均勻，消除了局部高溫區(qū)域。

圖5 工況1與工況2溫度場(chǎng)對(duì)比Fig.5 Temperature fields under working condition 1 and 2

圖6 工況1與工況2的NOx體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果對(duì)比Fig.6 The simulated NOx volume fractions under working condition 1 and 2

工況3與工況4溫度場(chǎng)分布、NOx質(zhì)量濃度分布對(duì)比如圖7、圖8所示。從圖7、圖8可以看出，在低氮燃燒器基礎(chǔ)上利用燃盡風(fēng)系統(tǒng)后（工況3），高溫區(qū)域及NOx生成量均有明顯降低。這主要由于近85%助燃空氣送入主燃燒區(qū)域與全部燃料進(jìn)行混合燃燒，即偏離化學(xué)當(dāng)量比燃燒，降低主燃燒區(qū)域火焰燃燒劇烈程度，從而控制了熱力型NOx生成。在工況3基礎(chǔ)上利用再循環(huán)技術(shù)（工況4），控制氧化劑氧量為18%，高溫區(qū)域進(jìn)一步降低，NOx生成質(zhì)量濃度大大降低。這主要由于低溫惰性煙氣與助燃空氣混合，一方面稀釋了助燃空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)，另一方面煙氣中有CO2和H2O，降低了火焰燃燒溫度，進(jìn)而抑制了熱力型NOx生成。

圖7 工況3與工況4溫度場(chǎng)對(duì)比Fig.7 Temperature fields under working condition 3 and 4

從整個(gè)爐膛高度橫截面上分析中心溫度分布，其結(jié)果如圖9所示。對(duì)比工況1、工況2，更換低氮燃燒器后，爐膛內(nèi)截面中心溫度較改前降低約100 ℃。對(duì)比工況2、工況3，在工況2基礎(chǔ)上增加燃盡風(fēng)系統(tǒng)，燃燒區(qū)域中心溫度降低80 ℃左右，燃盡風(fēng)區(qū)域中心溫度上升100 ℃左右。該區(qū)域溫度雖然升高，但整體低于1 400 ℃，抑制了該區(qū)域熱力型NOx生成。而CO自燃點(diǎn)為608.5 ℃[14]（即在氧氣充足的條件下，溫度在608.5 ℃環(huán)境中，CO與O2反應(yīng)生成CO2），對(duì)比工況3、工況4：在工況3基礎(chǔ)上增加煙氣再循環(huán)技術(shù)，爐內(nèi)截面中心溫度較工況3降低150 ℃左右。在8 m處（燃盡風(fēng)區(qū)域）溫度也相應(yīng)降低，但在燃盡風(fēng)區(qū)域溫度整體高于CO自燃點(diǎn)溫度，能保證在該溫度區(qū)域內(nèi)燃燒區(qū)域未燃盡的CO與燃盡風(fēng)混合燃燒生成CO2，確保CO在該區(qū)域內(nèi)充分燃盡。

圖9 沿爐膛高度方向橫截面中心溫度分布Fig.9 The temperature distributions in cross section center along the furnace height direction

不同負(fù)荷下4種工況NOx生成質(zhì)量濃度模擬結(jié)果如圖10所示。由圖10可見：工況1在100%負(fù)荷下，NOx生成質(zhì)量濃度為365.52 mg/m3，與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果（380 mg/m3左右）比較吻合；工況2采用低氮燃燒器，NOx生成質(zhì)量濃度為262.08 mg/m3，降幅30%；工況3采用低氮燃燒器+燃盡風(fēng)系統(tǒng)，NOx生成質(zhì)量濃度為188.33 mg/m3，降幅25%；工況4采用低氮燃燒器+燃盡風(fēng)+煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，NOx生成質(zhì)量濃度為75.89 mg/m3，降幅60%。

圖10 模擬不同負(fù)荷下NOx生成質(zhì)量濃度對(duì)比Fig.10 The simulated NOx generation mass concentrations at different loads

綜上可知：采用低氮燃燒器+燃盡風(fēng)+煙氣再循環(huán)，能大幅度降低四角切圓燃?xì)忮仩tNOx生成質(zhì)量濃度，達(dá)到目前地方標(biāo)準(zhǔn)要求（在用的燃?xì)忮仩tNOx排放低于80 mg/m3）。

4 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)某化工動(dòng)力廠75 t/h四角切圓燃?xì)忮仩t進(jìn)行低氮燃燒器+燃盡風(fēng)系統(tǒng)+煙氣再循環(huán)改造，將原有燃燒器更換成新型低氮燃燒器，在爐膛高度方向布置燃盡風(fēng)噴口（燃盡風(fēng)占比15%），并從引風(fēng)機(jī)之后用再循環(huán)風(fēng)機(jī)抽取17%左右低溫?zé)煔馑腿肴紵髦硷L(fēng)道內(nèi)與助燃空氣混合，最后送入爐內(nèi)參與燃燒[15]。

對(duì)鍋爐改造后各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試統(tǒng)計(jì)（測(cè)試數(shù)據(jù)），提取負(fù)荷變化過程中蒸汽參數(shù)變化和排煙溫度變化數(shù)據(jù)，如圖12所示；同時(shí)提取穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)的氧量、NOx排放質(zhì)量濃度進(jìn)行整理歸納，結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖12 改造后鍋爐排煙溫度數(shù)據(jù)Fig.12 The exhaust gas temperatures of the boiler after the modification

從圖11、圖12可以看出：改造后鍋爐平均蒸汽溫度445 ℃左右，滿足工藝要求；滿負(fù)荷工況下排煙溫度較改造前上升15 ℃左右，根據(jù)排煙溫度與鍋爐熱效率的關(guān)系推算出鍋爐熱效率降低約1.5%。主要原因：由于增加燃盡風(fēng)及煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，鍋爐截面中心溫度略有降低，導(dǎo)致輻射換熱有所降低。由于煙氣量增大，流速增大，對(duì)流換熱增強(qiáng)但由于減少的爐內(nèi)輻射換熱量ΔQt大于增加的對(duì)流換熱量ΔQv，鍋爐整體吸熱量降低，導(dǎo)致鍋爐熱效率降低。

圖11 改造后鍋爐蒸汽溫度數(shù)據(jù)Fig.11 The boiler steam temperatures after the modification

從圖13可以看出，改造后，鍋爐排煙氧量處于2.8%～4.5%，較改造前（3.5%～4.0%）有所提高?？紤]到鍋爐改造后安全穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)試選取的運(yùn)行氧量偏高，但基本維持設(shè)計(jì)要求。從圖14可以看出，改造后NOx排放較改造前降低約60%～70%左右，效果顯著。

圖13 鍋爐尾部出口氧量對(duì)比數(shù)據(jù)Fig.13 The comparisons of O2 emissions from boiler tail

圖14 鍋爐尾部NOx排放對(duì)比數(shù)據(jù)Fig.14 The NOx mass concentrations at the boiler tail under different conditions

5 結(jié) 論

本文針對(duì)四角切圓燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)及燃燒特殊性，提出了低氮改造技術(shù)路線。即采用低氮燃燒器+燃盡風(fēng)+煙氣再循環(huán)3種技術(shù)組合。通過數(shù)值優(yōu)化模擬及試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1）由于四角切圓燃?xì)忮仩t爐膛偏小，爐內(nèi)四角燃燒湍流混合較快，火焰伸展距離相比同樣容量鍋爐偏短，火焰極易重疊，造成局部高溫區(qū)域較大，生成大量熱力型NOx。

2）低氮燃燒器只能降低25%～30%的NOx生成量；燃盡風(fēng)系統(tǒng)能降低20%～25%的NOx生成量；煙氣再循環(huán)系統(tǒng)能降低60%～70%的NOx生成量。

3）該技術(shù)路線在75 t/h燃?xì)忮仩t成功改造應(yīng)用，在各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下NOx排放均能達(dá)到80 mg/m3以下，減排效果顯著。為NOx生成量偏高的燃?xì)忮仩t提供了技術(shù)借鑒。